BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

Bétớng cường độ cao và bètòng chát lượng cao Bctôiìíi là một loại vậl liệu chủ yếu cím thế ký XX, dược chế tạo từ hỗn hợp vật liệu với sự lựa chọn họp lý gồm các thành phấn: Cốt liệu lớn

PGS TS PHẠM DUỴ HỮU (Chủ biên)

LỜI NÓI ĐẦU

T rong những năm gần đây bêtông cường độ cao dã chiếm m ột vị trí quan trong trong các công trinh xây dựng cầu, đường, nhà và công trình thuỷ có quy

Các vấn đề chính được trình bày trong cuốn sách này là cấu trúc, cường độ, biến dạng, phương pháp thiết k ế thành phần và khả năng ứng dụng của bêtông cường độ cao.

S ách được dùng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng và cán bộ nghiên cứu.

T ham gia viết chương 6 là ThS Nguyễn Long.

Tác giả xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến quý báu của các chuyên gia xây

ơn Trường cầu đường Paris và Trường đại học Tokyo đã cung cấp cho chúng tôi nhiều tài liệu hổ ích về bêtông cường độ cao.

Cuốn sách được viết lần đầu nên chắc khó tránh khỏi thiếu sót R ấ t mong

n hận được những góp ý, phê bình của bạn dọc cho nội d u n g cuốn sách được

Các tá c g iả

3

Chương 1

KHÁI QUÁT VỂ BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1 Bétớng cường độ cao và bètòng chát lượng cao

Bctôiìíi là một loại vậl liệu chủ yếu cím thế ký XX, dược chế tạo từ hỗn hợp vật liệu với sự lựa chọn họp lý gồm các thành phấn: Cốt liệu lớn (đá dâm hoặc sói), cốt liệu nhỏ (cát), chất kết đính (ximăn« ) I1ƯỚC và phụ gia Cát và đá dăm là thành phần vật liệu khoánu vật, đóng vai trò bộ khung ch Ị11 lực Hỗn hợp ximăng và nước (hồ xiinăng) là thành phần hoạt tính tronu bêtỏng, 11Ó bao bọc xunc quanh cốt liệu, lấp đầy lỗ rỗng giữa cúc CỐI liệu và khi hổ xiniăng rán chăc sẽ dính kết cốt liệu thành m ột khối đá được gọi là bctòng Các chát phụ iiia rất pliony phú và chúng làm lính chất củ a bêtông trờ nèn đa dạnụ và đáp ứnu đirợc các vêu cáu Iicày cà nu phát triển của bctỏng và kết cấu bêtỏng.Ngày nay bêtông là một tronu những loại vật liệu dang được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựim nha xây dựiìg cầu, dtioim Tỷ lộ sứ dụiiú hôtông irơng xây đựng nhà chiếm khoáng 40% , xây dưng cáu dườim khoáng 15% tổng khối lượng bêtông Bêtông

có líu đicm:

- Có cường độ chịu nén cao, móđun đàn hổi phù hợp với kết cấu bêtông cốt thép và bctòng cốt thcp dự ứng lực

- Bển nước và ổn định với các tác động của môi trường

- Cóng nghệ bêlông ổn định niỉày cànc phát triển

- Giá thành cúa bêtỏng hợp lý do tận dụng dược các nguyên vật liệu địa phương, vì vậy kết cấu bctông chiếm 609r các kết cấu xây dựng

Nhược đicm cư bán cùa bẽtõnc là có cườna độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bêlỏng cốt thép còn lớn Cưừnc độ chịu nén của bêtôna thường chí dạt tối đa 50MPa

và độ sụt tối đa 7 cm

Con đường phát triến của bèlỏng là cái liến cấu trúc, thành phần, cải tiến công nghệ bảng cách sử dụng các phụ íiia, các chất hỗ trợ công nghẹ (báo dưỡng, trợ bơm ) và các phương pháp công nghệ mới đê tìm la các bêtôns chất lượng cao Các bêtông chất lượng cao phái đáp ứng các ycu cầu ve cường độ, tính còng tác và tính kinh tế Những tính chất được cái tiến làm chất hrơne hơn hán bètông truyền thống (cường độ, biến dạng, dễ đố ) Những tính chất đặc biệt nàv tạo ra khá năim sán” tạo ra các kết cấu xây dựng và CỎIIÍI nghệ xây dự n" mới

5

Bẽtõnu chất Iượníi cao bao <}ổm 5 loại bêtôrm như sau:

- Bclóng siêu dẻo: là loại bêtông có thành phán gồm CỐI liệu, ximănu truyền tliốnu và phu gia siêu deo Loại hêtông này có tỷ lệ N/X khoáng 0.38 - 0,42, độ sụt đạt đến 15 - 20cm co cườnc độ đai đến 60 MPa và có cường độ sớm (R7 - 0 ,8 5 R ts), eiữ được íl nhất 45 plìút

- Bêíông cường độ cao: có thành phán như bẻtông siêu dẻo tý lệ sư dụng N/X iian đến 0,25, có sử dụng phụ eia siêu mịn là tro hav hoặc hạt silic siêu mịn Đay là loai bctỏim có cơờnu đò chiu nén đến s o hoặc cr cr • ■ 100 MPa

- Bctònu siéu nhẹ: có cirờns đô tương tự như bêtông thirờne, khối lượng thế tích Iliãpđến 0 ,8 s/cnv\

- Bctõng íự dầm: có thành phán cốt liệu lớn ít, táng thêm cấc chất bội và sửclụnu phu gia sicu dẻo đặc biệt Bêtông có khả năng lự đầm nên trong quá trình thi cône k h ó n c cấn

sử dụng các thiết bị đầm Loại bêtỏng này cho phép thi công các công trình có kliôi lượn lĩ rất lớn (20.000 n r trơ lên) khỏng cấn bỏ trí mối nối, khỏng can đầm Sử d ụ ni’ bctône tự dám tiết kiệm được nhân cô n s, thời gian và không gây ổn

- Bctòng cốt sợi: trong thành phán có thêm sợi (kim loại, pỏlymc, các sợi khác),

Bẽtong cóì sợi cái thiện độ dco cúa bêtỏni^ tảng cường kha Iiăniĩ chốnu nứt cho bólònẹ u

trạng thái mểm và trang thái chịu lực

2, Định nghĩa bêtỏng cường độ cao

2.1 Đ ịn h n g h ĩa bètôỉìg cư ờ n g độ cao

Bctôns chất lượng cao là một thố hệ bétône mới có thcm các pham chất dược cái ihiện ihế hiện sự tiến bộ trons cônu nahệ vạt liệu - kct cấu xây dựnu Xét về cườnc đochịu ncn thì đó là b c tô n s cường độ cao (Hich Strcnsth Concrctc)

Bêtònụ chất ỉirơnn cao dược aọi íãl Ihco neười Ánh la HPC (Hisĩh Performanc<* Coneretes), íhco người Phấp là BHP (Bétons a Hautc Períormances) Bêtónu cuờnu đo cao (H id i Performance Concrctes) là loại bctỏnu có cuòìm độ chịu nén tuổi 28 ngày không nho hơn 60 MPa, với mẫu thử hình tru có D = I5cm H - 3()cm

Cườnií độ sau 24 uiò' R h > 35 MPa, sau 28 ngày cường đỏ nén R->8 > 60 MPa Mẫu ihtr (iươc chè lao, dưỡnc hộ, thử ihco các tiêu chuán hiên hành

Thành phấn bètòmi ciĩờne đồ cao có the dù nu hoặc khỏnc: đìum muội silic hoặc đùtv/ kết họp với xí lò cao Khi sử cỉụrm muôi silic chấí lương bêtỏim được nân lĩ cao h()’n

Tiêu chnan cua Bác Mỹ quy định bctỏng cường độ cao ià loại bótỏiìíĩ cỏ R 2N > 42 MPa.'Ilìco CHB FIP quy định bciỏns cường độ cao có cưòtm độ nén sau 2X nuà) toi thiếu lí) fc:s > 60 MPa Tai cá các loại bèlỏne cưừnu độ cao đéu ciùnu ly lệ N/X ỉhâp (0,25 - 0,35)

6

Níĩày nay kiến thức về loại hètông này đã cho phcp ứng dụ n g bêtông chất lượng cao trong công trình lớn, chú yếu O' ha lĩnh vực: Các nuôi nhà nhiều tầng, các công trình biển

và các cỏnq trình ui ao thòim (cầu, diròrns, hầm) Các đặc tính cơ học mới của bêtông

cư ờ ns đỏ cao cho phcp nmrời thiết kế sáng tạo ra lơại kết cấu mới có chất lượng cao hơn

2.2 C ác n g h iê n cứ u vế bétùng cường độ cao

Trorm khoáng 15 nàni ỉĩần đày các sán phấm bêlôno có cường độ ngày càng cao hơn, đạt cườiitt độ từ 60 đến 140 MPa Đặc biệt bctôns cường độ siêu cao (Ultra High Sircneth Concrctc) với cường dò lên dến 300 MPa (40.000 psi) đã được c h ế tạo trong phòntt thí nchiệm

Bètòng cườnu độ cao bắt đầu đươc sử ílụns vào thập kỷ 70, khi dó một loại bêtông có cường độ chịu nén cao hơn hán các loại bêtoníí trước đó dược dùng làm cột trong một số toà Iilià cao lầng tại Mỹ, Pháp Các CỎI1ỈI trình lừ hêtông cường d ộ cao dã được xây dựng tai Na Uy Các công trình cầu dường tại Pháp, Nua đã dạt được các thành còng nổi bật Gần đây bêtông cườna độ cao được sử dụng rộnq rãi tron Sỉ xây dựng cầu với nhiều đặc lính quan trọng như: cường độ cao, độ bổn cao , SI lúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn Hiện nay, bctôniĩ với cườne độ 98 đòn 1 12 MPa dã được sán xuất công nghiệp và được

sir dụng trong ngành cônii nghiệp xây dựng ở Mỹ, Nga, Na Uy, Pháp Các nước như

Anh, Đức, Thụy Điên, [talìa, Nhật Bán Trung Ọuốc và Việt Nam đã hắt đầu áp dụng bélòrm cường đô cao ironi’ xây clưne nhà, cầu, đường, thuv lơi

T rone những năm gấn dây, dã cỏ rất nhiều chương trình tám cỡ quốc gia nghiên cứu các tính chất cơ học của bctỏng tại nhiều nước khác nhau trên thế giới Trong đó những cluiơnti trình nehiên cứu dánỉĩ chú ý gồm có: nshiên cứu của Trung tâm khoa học kỹ thuật về vật liệu xiniãng chất lưựnc cao (ACBM - Mỹ), Chương trình nghiên cứu đường ỏtô (SHRP); M ạng lưới trung tâm chuyên gia của Canađa với Chương trình về bètông tính năng cao; Hội đồng hoàng iiia Na Uy với chương trình nghiên cứu khoa học và công nuhiộp; Chương trình quốc gia Thụy Đicn vổ HPC; Chương trình quốc gia Pháp tên là

“ Nlũrng con đường mới cho bctỏng”; và Chương trình bêtông mới của Nhật Bán

Các nghiên cứu về bẽtỏng cườns dớ cao dã kháng định việc sử dụng bêtông cường độ cao cho phép tạo r;t các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khá năng giải quyết dược nhiều vấn đề kv thuật hơn hoặc vừa đàm bảo cả hai yếu tô trên do khi sử dụng bêto n s cường độ cao có các ưu diêm sau:

- Giám kích thước cấu kiện, kết quá là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bêtỏ n<4 sử cỉụns, kèm theo rút ngắn thời gian thi còng

- Cìiám khối lượn í: bàn thân và các tĩnh lái phụ thêm làm giảm được kích thước móng

- Tãnu chiểu dài nhịp và íĩiáin sò lươim dầm với eùim ycu cầu chịu tài

- Giám sò lượnu trự dỏ' và móng do tăníi chiổLi dài nhịp

- Giám chicu dày bán giám chiều cao dầm

7

Cần tiếp tục nghiên cứu về cưònq độ chịu kéo, cắt và biến dạng của bêtông cườne đỏ cao trong điều kiện khí hậu Việt Nam.

3 Phàn loại b étồn g cường độ cao

Có thê phàn loại bêtông cường đô cao theo cưòng độ, thành phần vật liệu c h ế tạo và theo tính công tác

3.1 Phàn loại theo cường độ nén

Căn cứ vào cường đ ộ nén ở ngày 28 mẫu hình trụ D = 15cm, H = 30cm có thế chia

bêtông thành 3 loại sau:

3.2 P hân loại theo thành p h ầ n ché tạo

Bêtòng cường độ cao không sử dụng muội silic: là loại bêiỏng cường độ cao không sử

dụ n g bột silic siêư mịn, có thế sử dụng tro huy

Bêtông cường độ c a o sử dụ n g muội silic: trong thành phần có lượng m uội silic lừ

5 - 15% so với lượng ximăng

Bêtông cường độ cao cốt sợi kim loại là bctông cườnc độ cao có hoặc không có nuiộị silic nhưng có thành phần sợi kim loại Các loại hêtòng cường độ cao trên được sử dụng trong các kết câu khác nhau và cho các tính năng khác nhau Tất nhiên khi tính toán thiết k ế lên kết cấu và thiết k ế thi công cũng có những lưu ý khác nhau

Bêtông cường độ cao không dùng muội silic cho cường độ cao, độ déo lớn nhưng cường độ chịu nén chí đạt đến 60 MPa

B êtô n g cư ờ n g đ ộ cao d ù n q m uội silic khó thi c ô n g hơn n h ư n g c h o cường đ ộ đén

100 M Pa, co ngót bêtông và từ biên giảm, ứng xử về biến dạng và c ườn Sĩ độ khác với bêtồng cường độ cao không dùng muội silic nhất là ứnụ xử khi phá hoại (có thỏ giòn hơn, vữ vụn)

Bêtông cường độ cao sợi kim loại: có cường đõ ỊỊhư hai loại trên nhưng có độ dẻo cư học cao hơn Đ ám báo k h ô n s bị phá hoại đột imột và cài tiến khá năng chịu kéo và

c h ố n c nứt của bêtông cườiiiỉ độ cao Loại bêtông cường độ cao cốt sợi thưừniỉ được dùng

ờ các công trình biến bến cảng, sàn bay, công trình thc thao.

8

độ nén ử 28 ngày > 60 MPa BT CĐC có thành phần là hỗn hợp cốt liệu thông thường và

chất kết dính được cải thiện bằng cách dùng một vài sán phẩm mới có phẩm chất đặc biột như chất siêu deo và muội silic

Chương này trình bày một cách tổng quan vé các vật liệu này, nguyên tắc phối hợp, lôgic công thức cùa chúng và gán các lính chất cơ bản với cấu trúc của chúng

2 N gu yên tác phôi hợp và cóng thức thành phần

Trong thực té bétóng cẩn co dộ dặc rát cao, vì do ỉà dậc điểm chính của càu tạo bêlông Ý kiến đầu ticn của vậí liệu bctông là cố gắng tái tạo lại một khối đá từ các loại CÒI liêu Đ ộ đặc chắc của hỏn hợp tạo ra sỗ được đicu hoà bởi dải cấp phối của nó, nghĩa

là phụ thuộc vào tlộ lớn cực đai của cốt liệu Kích cỡ cúa cốt liệu lớn khoảng 20-25m m Ciíc hạt nhỏ, do đặc tính vật Iv bc mạt, eây nên sự vón tụ tự nhiên của các hạt ximăng

Sự vón tụ hạt ximãng càng ít, chất Iượnc bêtông cànu cao (độ dẻo, cường độ )

Từ ý tưởng đó nhữne nghiên cứu đầu tiên là sử dụng một vài sản phẩm hữu cơ đê

khôi phục ximăng lơ lừng tron<j nước ở thành phần hạt ban đầu của bêtông (bao gồm từ

1-XO |im) Sau đó có thế làm cho các tinh thể của hỗn hợp dài ra bằng cách thêm vào

m ột sán phấm cực m ịn, có phán ứng hoá học, nó ticn tới lấp đầy các khe cíia đố n g hạt m à ximănsỉ k h ô n s lọt dược M uội silic, sản phẩm phụ của công ng h iệp điện luyện kim sán xuất Silicon, dược dùníí phổ biến đế c h ế tạo BT CĐC

Việc áp dụng các neuycn tắc đơn gián nêu trên cho phép đưa ra công thức BT CĐC Công thức thành phần tốnn quát của BT CĐC là:

Đ = 1000 - 1200 kg; c = 600 - 700 kg; X = 400 - 520 kg; MS = 5 - 15%; tỷ lệ N/X = 0,25 - 0,35; chãi sicu déo từ 1 - 1 , 5 l ít / 100 kg XM và một phần chất làm chậm (Đ - đá; X - xiinãnu; c - cát; N - nước; MS - muội silic)

9

Các thành phẩn truyền thống (cốỉ liệu, xirnăns, và hỗn hựp) phái có phẩm chất iốt, có

sự lựa chọn chặt chõ cần thiết nếu muốn vượt quá 100 MPa vổ cuờne độ trung bình ỏ' 2S imày Nuoài ra do sự giám tý iệ N/X mà có thỏ chuyến bctỏne xim ãng cườns* độ cao (cườim đô nén từ 50 đến 80 MPa) sanc hctone cirờn<z đò rất cao CĐRC

Mục ÚCII cúa các nghiên cứu hiện dai là cài thiện cấu trúc cúa vữa xim ăng để dạt đốn

độ rỗng đá xiniăns nhò nhất, đồnc thòi cài thiện cấu trúc c h u n ” đê bẽtông có độ rỗnu nhò nhất, khi đó bêtông sẽ có cường dỏ chịu nén là lớn nhất Con đ ư ờ n s đó chi cho phép tăng cườns độ nén, tuy nhicn cườnc độ kéo được tăng chậm hơn Đế cài thiện khá năng chịu kéo của bêtông phái sử dụng các vật liệu mới là cốt sợi kim loại, cốt sợi pỏlimc hoặc cốt sợi cácbon

Vc mặt cấu trúc, bctông ximăng p o ó đ ăn g là một vật liệu không đổng nhất và rỗng Lực liên két các cốt liệu (cái và đá) được tạo ra do hổ ximăng cứníĩ Cấu Iriíc của liổ ximãng là những hyđrat khác nhau tron” dó nhiều nhất là các silicát thủy hóa C-S-H dạng sợi và C a(O H )i kết tinh dan 2 tấm lục LI lác khối, chổng lẽn nhau và các hạt ximãng chưa dược thúy hoá Đ ộ rỗ n s cùa vữa ximãng poóclăng là 25 đốn 30% về thế tích với N/X = 0,5 Tliế tích rỏne này gổm hai loại: (a) lỗ rỗna của cấu trúc C-S-H, kích thước

c ù a n ó k h o á n o vài Ị.II11, ( b ) l ỗ r ỗ n e m a o q u á n g i ữ a c á c h y đ r á t , b ọt k h í , k h e rỗim; k í c h

thước cúa chúníĩ khoáng vài Ị.II11 đến vài min Khi bêtônu chịu lực trong cấu trúc xuất hiên vết núi cũne làm tãne dò rỗne của hclóiiR

Sự yếu vc đặc tính cơ học của bctỏim là do độ rỗng mao quản và nước cho thỏm vào bctòim đc tạo tính côniĩ tác của bètỏim tưưi Sự cài thiện cườnu độ có thể dạt đuợc nhờ các phirơne pháp làm eiảm độ rỏns (nén, ép, rung), giâm tỉ lộ N/X (phụ eia) và sử dụng sản plìẩm mới là ximăim k hône có lồ rỗng lớn và ximãim có hụt siêu mịn đồng nhất Loại íhứ nhất chứa pôlim e, loại thứ hai chứa muội silic (xim ãng cường độ cao)

Mối quan hệ trcn có thể lạo ra nluìns loại BT CĐC bằim cách cải ticYì cấu trúc CĨUÌ vữa ximãng làm đặc vữa ximănu, cái ihiện độ dính kết cua ximãng - cốt liệu và các siái phấp cỏnc nghệ khác

3 Cáu trúc của vữa xim ãn g

Đc cái tiến cấu trúc của bêtôns, trước hết cấn cải tiến cấu trúc của vữa ximăng Có

thể thực hiện bànc cách làm đặc vữa ximãne, eiám lượng nước thừa (tý lệ N/X nhỏ), sử

d ụne phụ nia sicu dẻo và các biện pháp còng nehẹ rung ép đặc biệí

3.1 Vữa x i m á n g cư ờ n g độ cao

Làm n shcn lỗ rỗng m ao quán hav loại bớt nước nhò’ đẩm chật hoặc eiám tí lộ X/N nhờ phụ eia là cấc phươim phấp làm đậc vừa ximărm, làm cho nó clổiìg nhất hơn và có cấu 1 rúc đặc biệt hơn vữa ximănu ihỏne tlurừim Vữa xim ãnc cườne độ cao cũ n e có thê dạt được hảng cách sử dựng xim ănc cỏ cườnu độ cao hơn

10

sẽ khó tạo ra độ dẻo đủ cho vữa xim ãns Cấu trúc của loại vữa xiinăng này sẽ có độ rỗne nhỏ hơn và Urựne nước thừa ít hơn Như vậy, khả nărm tách nước khi rắn chắc là thấp (klìónu tách nước trcn mặt bctỏne).

3.3 Vữa x im â n g có p h ụ gia g iấm nước

Phụ ííia sicu deo eốc naplìíalcn suníonaU inelamin, limiosuníonat hoặc viseo sử dụng

đế phân bố tốt hơn các hạt cối liệu cho phép giam nước đến 30% và tí ]ệ N/X = 0,21

N h ữ n g nghicn cứu vé c ộ n e lurừniĩ từ tính hạt nhân proton đà chứng m inh rằne phụgia hấp thụ trên cấc hạt x im ăn a tạo thành nhữnu m àng, trong đó các phân từ nước vẩn ch u y cn đ ộ n c m ạnh Dưới tác độim của m àn g cộng với sự phân lán của các hạt rán hạt x im ă n s lạo ra độ kru hiến tốt han C ưừnc độ nén 200 MPa nhận dược tro n e

các loai vữa dù n g phụ gia siêu đeo Đ ộ rỗnu là 5% vé thế tích, vữa đổ n g Iìhất và bể

m ật vô định hình Đ ỏ sut bclònu đo bàniĩ côĩi Abram có thể đạt tối đa ứốn 20 cm ,

tru n u hình là 10 - 12 cm

3.4 Vữa x im â n g c h ịu ép Um và ru n g đ ộ n g

Vữa ximărìíi có cirờim clộ nén 600 MPu đà clat được nhờ lực ép lớn ở nhiệt độ cao

(1020 MPa, 150°C) Tổnu lỏ rồng chi còn 2% Phán lớn các hyđrát dược chuyển thành là

ỉỉel Đỏ thủy hoá của xiniãim là 30c/f và silicát C-S-H ụổm cá hạt ximăng, anhyđrit như

một chất kco giữa các hạt cốt liệu Cấc hyđrát của ximãng và các hạt clinke đồng thời tạo

ra cườim dộ cao cho vữa dỏne cứim Sự rưns tlộne loại bỏ các bọt khí tạo ra khi nhào trộn

3.5 Vừa Xỉ'măng s ử d ụ n g các h ạ t siêu m ịn

Hệ thống hạt siêu mịn được người Đan Mạch đề xuất đầu tiên Hệ thống này gồm

x im ăn e poóclăng, muội silic và phụ gia tạo ra cường độ cao tới 270 MPa Muội silic là nhữne hạt cầu kích thưóc tru nu bình 0,5 |am, chui vào troim các khône gian rỗng kích thước tù 30 - 100 |am đó lại bới các hạt ximãng Trước hct, muội siỉic đóníĩ vai trò vật lý,

là các hạt mịn Mặt khác chúne chốne vón cục hạt ximăne phân tán hạt xim ãnẹ làmxiniănu dẻ íhúv hoa, làm tảne li lô hạt xim ăne dược thúy hoá

Tronu quá uình ihủv hoá muội silic tạo ra nhữns vùng hạt nhân cho sàn phám thủy hoá ximãnu (Mchía) và sau một Ihòi uian dài, phan ứna nhơ ĩììột pu/ơlan, tạo thành một silicát ilúiy hoá C-S-H có độ rỏiiu nho hơn là C-S-H cua xim ăne poóclăng và có cấu trúc

vò dinh hình

Cấu trúc vưa xiinăng poóclăng có N/X = 0,5 bao gồm ( I ) C-S-H sợi, (2) C a(O H)2 (3)

lỗ rỗng m ao quản

Cấu trúc vữa xim ăn g có muội silic bao gồm (1) C a(O H )2, (2) C-S-H vô định hình (3)

ỗ rỗng rất ít

H ình 2.1 Cấu trúc của muội silic và xitnủns*

a Càn Ị rúc (lia muội siĩic; h, Câu t r ú c n ia hồ xiỉỉỉãỉiiỉ

H ỗn hợp vữa xim ăng pôlyme gồm: 100 phần ximăng (về khối lượng), 7 phần pôlym e

i 50 M Pa ứng với sự vắng m ặt của các lỗ rồng m ao quản và vết nứt

V ữa xim ăng pôlyme có thể được đổ khuôn, ép, định hình như các vật liệu dẻo N ó có thổ đưa vào trong các vật liệu compozit chứa cát, bột kim loại, sợi để tăng độ bền và cường độ chống mài mòn

4 C ấu trúc của bêtông cường độ cao

4.1 C ấu trúc của cốt liệu bêtông cường độ cao

Sử dụ n g các cốt liệu truyền thống và vữa xim ãng chất lượng để tạo ra B T CĐC

Ba đặc tính củ a vật liệu ảnh hưởng đến cấu trúc của BT CĐC là th àn h phần và cấu trúc vi m ô của hồ ximăng, bản chất của liên kết giữa hồ ximăng - cốt liệu và chất lượng của cốt liệu trong điều kiện công nghệ và môi trường ít biến đổi Cấu trúc BT C Đ C cũng gồm b a cấu trúc con tương tự như bêtông ximăng Phần được cải tiến nh iều nhất là cấu trúc của hồ xim ãng và cấu trúc của vùng tiếp giáp giữa hồ và cốt liệu Cấu trúc cốt liệu

về cơ bản là không biến đổi Có lẽ đây là vùng cấu trúc bảo thủ nhất

Cấu trúc của cốt liệu lớn tạo nên khung chịu lực cho bêtông, nó phụ thuộc vào cường

độ bản thân cốt liệu lớn, tính chất cấu trúc (diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu) và cường

độ liên kết giữa các hạt Thông thường, cường độ bản thân cốt liệu có cấp phối hạt hợp

lý đã giải quyết được các lỗ rỗng trong bêtông và tăng diện tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu (giữa các hạt với nhau và các hạt xung quanh một hạt) Trong BT C Đ C nên sử dụ n g các cốt liệu truyền thống và các chí dẫn chặt chẽ hơn

13

4.2 Cấu trúc của h ồ x im ă n g

Lỗ rỗng luôn tồn tại trong cấu trúc của hồ xim ăng và ảnh hưởng rất lớn tới tính bền của cấu trúc này Các lỗ rỗng tồn tại dưới hai dạng: lỗ rỗng m ao dẫn và lỗ rỗng trong khoảng giữa các hạt ximăng

Lỗ rỗng m ao dẫn tạo ra d o lượng nước dư thừa để lại các k h oảng khô n g trong hổ ximăng Đ ể hạn c h ế độ rỗng trong bêtông thì tỷ lệ N /X thích hợp là m ột vấn đề quan trọng Trong BT CĐC tỷ lệ N /X được hạn c h ế dưới 0,35 m à kết hợp sử dụng phụ gia siêu dẻo để giải quyết tính công tác cho bêtông Kết quả là tăng khối lượng các sản phẩm hyđrat trong quá trình thuỷ hoá xim ăng, đồng thời giảm đ án g kể tỷ lệ các lỗ rỗng m ao quản trong bêtông

Hiện tượng vón cục các hạt xim ăng và bản thân kích thước hạt xim ăng vẫn lớn và tạo

ra độ rỗng đáng kể cho bètông M ột sản phẩm siêu mịn, ít có phản ứng hoá học (muội silic, tro bay) được bổ sung vào thành phần của BT CĐC Lượng hạt này sẽ lấp đầy lỏ rỗng mà hạt xim ăng không lọt vào được Đ ồng thời với kích thước nhỏ hơn hạt ximãng nhiều, nó bao bọc quanh hạt xim ăng tạo thành lớp ngăn cách k h ô n g cho các hạt xim àng vón tụ lại với nhau

4.3 Cấu trúc vùng tiếp xúc h ồ xỉm ă n g - cốt liệu

Cấu trúc của vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu có ý nghĩa quyết định cho loại

BT CĐC Cấu trúc thông thường của bêtông gồm ba vùng: cấu trúc cốt liệu, cấu trúc hổ xim ăng và cấu trúc vùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu V ù n g tiếp xúc hồ xim ăn g - côt liệu trong bêtông thường, gọi là “ vùng chuyển tiếp”, vùng này có cấu trúc kết tinh, rỗng nhiều hơn và cường độ nhỏ hơn vùng hồ do ở vùng này chứa nước tách ra khi hồ ximăng rắn chắc Ớ vùng này còn chứa các hạt xim ăng chưa thủy hoá và các hạt C aO tự do

Các đặc tính của vùng liên kết hồ xim ăng - cốt liệu trong bêtông thường gồm mặt nứt, vết nứt, cấu trúc C-S-H và bề m ặt các hyđrat V í dụ các vết nứt xuất hiện b ao quanh các hạt silic và phát triển vượt qua hồ xim ăng Trên m ặt trượt của cốt liệu, các hyđrat gồm tấm Ca(OH)o và các sợi silicát (sợi C-S-H) Chúng chỉ được liên kết rất yếu vào cốt liệu và tách ra dễ dàng Sự kết tinh có định hướng C a(O H ), cũng quan sát thấy trên các hạt cốt liệu silic

Vùng liên kết giữa hồ xim ãng - cốt liệu có độ rỗng lớn và đã được cải thiện nhờ muội silic Biến đổi cấu trúc của bêtông theo cường độ phát triển theo ba cấp độ sau:

- Trong bêtông thường vùng liên kết xim ăng - cốt liệu là vùng tiếp xúc rỗng có các mặt nứt và các vết nứt Cấu trúc c - H - H có dạng sợi

14

V ùng tiếp xúc hồ xim ăng - cốt liệu ợ BT CĐC có cấu trúc C-S-H vô định hình và tinh thể C a(O H )i định hướng (P) trên các hạt cứng, các vết nứt giảm rõ ràng.

V ù n g tiếp xúc của BT CĐC tỉ lộ N/X < 0,3, do tỉ diện tích hạt muội silic rất cao nên vùng này không chứa nước, không tồn tại CaO tự do, vữa xim ăng có độ đặc rất lớn và lực dính bám với cốt liệu cao

Bêtông cường độ rất cao vùng liên kết chuyển thành đá, hồ xim ăng - cốt liệu đồng nhất K hông có vết nứt trên bề mặt

Hiện nay, khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (MEB) m ột vài m ảnh BT CĐC

đã cứng rắn, thấy rằng BT CĐC và CĐRC có cấu trúc rất đặc, chủ yếu vô định hình và bao gồm một thể tích k h ô n g bình thường của các hạt không có nước, đó là phần còn lại của xim ăng chưa thủy hóa do thiếu nước sử dụng Ngoài ra, các m ặt tiếp xúc vữa xim ãng/cốt liệu rất ít rỗng và không thể hiện sự tích tụ thông thường của các tinh thể vôi Điều đó là do hoạt đ ộ n g của muội silic bắt nguồn từ phản ứng puzơlan giữa silic và vôi tự do sinh ra bởi xim ăng khi thủy hoá Việc đo độ xốp bằng thủy ngân chỉ ra sự mất

đi của độ xốp m ao quản Cuối cùng người ta có thế đo được độ ẩm của môi trường trong các lỗ rỗng của b êtông theo tuổi của vật liệu Trong khi đối với bêtông thông thường luôn luôn bằng 1 0 0% (khi không có sự trao đổi với môi trường xung quanh), nó giảm tới 75% ở tuổi 28 ngày đối với BT CĐC

Cuối cùng, từ các nhận định khác nhau cho phép trình bày về cấu trúc của BT CĐC như sau:

- Tỉ lệ phần hồ x im ă n g trong bêtông giảm đi, các hạt chưa thủy hoá được bổ sung vào thành phần cốt liệu của bêtông đã cứng rắn Như vậy trong BT C Đ C không nhất thiết phải dùng lượng x im ãn g cao (X = 380 - 45 0 kg/m3 với cường độ nén của xim ăng từ

400 -500 d a N /cm 2)

- Hồ xim ăng có độ rỗng tổng cộng nhỏ

- Rất ít nước tự do, các lổ rỗng nhỏ nhất cũng bị bão hoà nước

- Các m ặt tiếp giáp hồ ximăng - cốt liệu đã được cải thiện và hóa đá, từ đó mất đi một vùng thường yếu về cơ học của bêtông Cường độ bêtông tăng lên Vết nứt của bêtông khi phá hoại sẽ đi q u a các hạt cốt liệu

- Hàm lượng vôi tự do nhỏ

- T rong b ê tô n g x u ấ t hiện trạn« thái ứng suất mới được m in h hoạ m ộ t cách vĩ m ô bằng co ngót nội tại và chắc chắn nó sinh ra một sự xiết chật m ạ n h vào các cốt liệu, làm tăn c lực d ín h giữa cốt liệu và hồ xim ăn e, cái tiến cường độ chịu kéo và m ỏ đ u n đàn hổi cho BT CĐC

15

5 Cấu trúc của bêtỏng cường đ ộ rất cao

Bêtông cường độ rất cao (CĐRC), cường độ nén từ 100 4- 150 MPa tạo thành từ:

- 40 0 - 500 kg xim ăng poóclăng mác 55 + (15 -T- 20)% m uội silic

- 1 -í- 4 % phụ gia siêu dẻo, 0,3 - 0,4 % chất làm chậm.

- N/X = 0,16 - 0,18; N = 100 lít/m 3

Sự phá hủy của BT C Đ R C cho thấy vữa xim ăng đã chuyển thành đá do sự đông đặc rất cao của vữa xim ăng khác với vữa xim ăng có độ rỗng xu n g quanh cốt liệu của bêtông thường Điều này được thể hiện qua nghiên cứu [4], trong đó ta không thể quan sát được vết nứt cũng như sự định hướng tinh thể C a(O H)2 ở m ặt tiếp xúc Nứt vi m ô và nứt vi m ô

cơ học của BT C Đ R C có thể được đánh giá bằng kính h iển vi và thường ít hơn so với bêtông truyền thống

Đ ặc tính cấu trúc rất quan trọng là vữa xim ăng có cấu trúc vô định hình và đồng nhất Vữa ximăng có độ rỗng nhỏ hơn bêtông xim ăng poóclăng, do tăng được m ức hoạt tínhpuzơlan của muội silic Muội silic phản ứng lý học nhờ dạng hạt cực m ịn và phản ứnghoá học nhờ độ hoạt tính của muội silic với vôi Độ rỗng của bêtông dù n g muội silic được đo bằng rỗng k ế thuỷ ngân giảm từ 50-60%

Lượng tối ưu của muội silic là 15 -7- 20% khối lượng xim ăng Với số lượng lớn hơn, VI

dụ 40% , bêtông trở nên giòn và các hạt silic vẫn chưa thủy hoá

6 Các kết qu ả thực ngh iệm về cải tiến cấu trúc b êtông

Các kết quả nghiên cứu trong năm gần đây ở Pháp và ở trường Đại học G T V T Hà Nội

đã đạt được thành công đáng kể về BT C Đ C có cải tiến cấu trúc bằng cách dùng muội silic, chất siêu dẻo, lượng nước rất ít và cốt liệu địa phương

Đối với bêtông có mác từ M60, M70, M 100, các kết quả được ghi ở các bảng dưới đây:

B ảng 2.1 B êtỏng M 60 (m ẫu hình trụ D = 15cm ) có đ ộ dẻo lớn ở V iệt N am

BT C Đ C có thể đạt được bằng c á c h sử d ụ n g các vật liệu V iệt N am và có điều

c h in h lại cấu trúc c ủ a b ê tô n g b ằ n g c ách sau: Sử d ụ n g tỷ lệ N/X tro n g k h o ả n g : 0,25 - ơ,3, lượng m uội silìc c h iế m 8 -1 0 % lượng x im ã n g H à m lượng x im ã n g từ 3X0 - 4 5 0 kg (ximăng PC40), phụ gia siêu hoá dẻo làm chậm ninh kết BT CĐC sẽ có cấu trúc vữa ximăng vô định hình và đồng nhất Cường độ bêtông có thể đạt từ M70 - M 90 với công nghệ thay đổi không nhiều

17

Chưưng 3

CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊTÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

1 Mở đầu

BT CĐC tồn tại ở ba trạng thái: ướt, m ềm và cứng rắn (rắn chác), tính chấl của

BT CĐC ở trạng thái còn ướt là tính dễ đổ (độ sụt) hoặc còn gọi là tính công tác Tuy sú dụng lượng xim ăng cao, tỷ lệ N/X thấp nhưng độ sụt của BT C Đ C vẫn đạt từ 10-20 cm, giữ được ít nhất là 45 phút, ở trạng thái m ềm , tính co ngót thấp và ổn định thê tích cao

2 Cường độ chịu nén BT C Đ C

2.1 Cường độ chịu nén

Cường độ chịu nén của bêtông là tính chất quan trọng để đánh giá chất lượng của bêtông, mặc dù trong một số trường hợp thì độ bển và tính chống thấm còn quan Iiọnu hơn Cường độ của bêtônQ liên quan trực tiếp đến cấu trúc của hồ xim ãng đã đỏnu cứng, cấu trúc ciia bêtỏng Cường độ ncn của bêtông phụ thuộc rất lớn vào tỷ lệ N/X bẽtôim

Tý lệ N/X ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, độ ổn định thế tích và nhiều tính chất khác liên quan đến độ rỗng của bctông Do đó cường độ chịu nén cúa bctông dược C|iiy định sử dụng trong thiết kế, hướng dãn c ô n e nghệ và đánh giá chất lượng bctỏiig

Cường độ nén của b ê tô n g phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Chất krợ ns và hàm lượng của các vật liệu c h ế tạo bêtông: côi liệu, x im ă n g và các phụ gia; Q uy trình, thiết k ế thành phần và thời gian n h ào trộn hỗn hợp vật liệu; M ỏi in rờ n c sán xuất VÌI khai thác bêtông

Các tính chất của các vật liệu thành phần ảnh hưởng đến cư ờ n s độ bêtỏng là: Chất lượng của cốt liệu nhỏ và cốt liệu lớn; Hồ xim ãng và tính dính bám cúa hổ xim ăne với cốt liệu (tính chất của vùng chuyên tiếp)

18

Nlhữnc yêu tố này ành hướna dến cấu 1 rúc vĩ mò và vi mô của bêtông, bao gồm: độ rỗng, kích thước và hình dạng lỗ rỗng, sự phân bô các lỗ rỗng, hình thái của sản phám thuý lioá và sự dính bám giữa các hạt răn.

C ườns độ nén là tính chất sử tlụnc quan Irọng nhất của vật liệu Đ ó cũng là tính chất

mà sự cái thiện của nó là ly kỳ nhất: rnurời ta đã có thể thực hiện ở phòng thí nghiệm, sử (iụns thành phần tối ưu b ê tô n s có thc dạt cường độ bêỉỏng vượt quá 200 MPa Tuy nhiên trong thực tế k h ô n s yêu cầu về cường độ quá cao và giá thành của bêtông quá đắt (do sử clụns nhiổu muội silic và chất siêu dco) Việc chế tạo loại bêtông dễ đố với các cốt liệu thõng thường, giá thành không quá cao, cường độ năm trong khoáng từ 60 đến 120 MPa,

s ẽ c ó ý nghĩa thực tế cao hơn, điéu dó cũng đã thc hiện một bước tiến lớn so với bêtòng thường (báng 3.1)

B áng 3.1 S ự diễn biến của các tính chất co học của BT C Đ C

C ường đ ộ chịu nén cúa BT CĐC được xác định trcn m ẫu b êtô n g tiêu ch u ẩn , được bào dưỡng 28 ngày tro n g điểu kiện tiéu chuẩn, theo Tiêu c h u ẩn V iệt N am hoặc quốc

Cường độ chịu nén của BT CĐC hiện nav theo quy định của ACI (Mỹ) từ 42 MPa (6000 psi) đến 138 MPa (20'00ơ psi) ở Việt Nam và chau  u thường quy định có cường đò k h o án s 6 0 - 80 MPa

19

2.2 Tốc độ tăn g cường độ chịu nén theo thời gian

BT CĐC có tốc độ tăng cường độ ờ các giai đoạn đầu cao hơn so với bêtông thường,

nhưng ở các giai đoạn sau sự khác nhau là không đáng kể Parrott đã báo cáo các ti sổ

điển hình của cường độ sau 7 ngày đến 28 ngày là 0,8 - 0,9 đối với bètỏng có cường độ cao, từ 0,7 - 0,75 đối với bêtông thường, trong khi đó Carrasquillo, Nilson và Slate đã tìm ra được tỉ số điển hình của cường độ sau 7 ngày là 0,6 đối với bêtông có cường độ thấp, 0,65 đối với bêtông có cường độ trung bình và 0,73 đối với bêtông có cường độ cao Tốc độ cao hơn của sự hình thành cường độ của BT C Đ C ở các giai đoạn đầu là do

sự tăng nhiệt độ xử lý trong m ẫu bêtông vì nhiệt cúa quá trình hydrát hoá, khoảng cách giữa các hạt đã được hyđrát hoá trong BT C Đ C đã được thu lại và tí số N/X thấp nên lồ rồng do nước thuỷ hóa trong BT C Đ C là thấp hon

Sự tăng cường độ nhanh hơn nhiều so với bêtỏng cổ điển (hình 3.1), do sự xích gần sớm của các hạt bêtông tươi, cũng như là vai trò làm đông cứng của muội silic Sự phát triển sớm của cường độ trong thực tế phụ thuộc vào bản chất (hàm lượng alum inat, độ

m ịn) và lượng dùng xiinăng, hàm lượng có thê có của chất làm chậm ninh kết, cũng như

là chắc chắn phụ thuộc vào nhiệt độ của bêtông

Quan hệ giữa bêtông chịu nén ở ngày thứ j (fCj) và cường độ bètông ngày 28 (ft i 8) cóthể sử dụng công thức B A EL và BPEL (Pháp) n h ư sau:

fcj = 0,685 l g ( j + l)fc2íí (3-1)hoặc công thức ở dạng tuyến tính như sau:

Đ ộ dai củ a BT C Đ C biểu thị khá nàng làm việc củ a bêtông sau khi đạt đến ứng suất

tối đa Đ ộ dai được thể hiện ở độ dốc của đường cong quan hệ ứng suất biến dạng sau khi đạt cường độ

Hình 3.2 Quan hệ ửiìi; suất hiến clựnq của 4 loại bêtông N- Bêtông thường; HR- BêtôiiỊỊ t ưừinị độ cao; THR- Bêlô/ìiỊ cường độ rất cao

21

Trên hình 3.2 là quan hệ giữa ứng suất theo chiểu trục và biến dạng đối với bêtông có cường độ nén lên tới 105 MPa Dạng đồ thị ở phía tăng của đường cong ứng suất - biến dạng khá tuyến tính và dốc đối với BT CĐC, biến dạng tương đương ứng với điểm ứng suất lớn nhất cao hem đối với B T CĐC Đối với BT CĐC độ dốc ở phía giảm trở nên dốc hơn (Để có được những số liệu của phía giảm đường cong ứng suất - biến dạng, nói chung cần phải tránh sự tương tác lẫn nhau của hệ thống kiểm tra mẫu thử) Điều này cũng cho thấy độ dai của BT C Đ C thấp hơn so với bêtông truyền thống.

Đ ộ ẹiòn của B T CĐ C:

Đối với kim loại và đặc biệt là thép, sự phát triển cường độ luôn luôn đi đôi với độ giòn lớn hơn Điều đó được thể hiện bằng các dạng phá hoại đặc biệt và bằng độ dai (dại lượng biểu thị khả năng của vật liệu chống lại sự lan truyền của vết nứt) và tốc độ phá hoại Chúng ta quan sát ba dạng này đối với bêtô n g chất lượng cao và rất cao

đã cho cần thiết năng lượng gia tải lớn hơn so với bêtông thông thường Nguyên nhân cơ bản là sự tăng m ật độ của hồ và cải thiện liên kết giữa hai pha hồ và cốt liệu

22

Tuy nhiên cũng nhận thấy rằng độ dai còn tãng lên không nhanh bằng tốc độ tăng cường đ ộ kéo và môđun Có thể giải thích hiện tượng này nhờ các quan niệm dùng công thức cổ điển xuất phát từ cơ học phá huý về giá trị với ứng suất phẳng:

Kd = (E.Gd) ,/2

trong đó: Kd là độ dai, G d là nărm lượn? riêng của sự phá hoại và E là m ôđun đàn hồi

C ho rằng năng lượng phá hoại Gd là tổng của năng lượng cần thiết để phá hoại hồ và nàng lượng phá hoại cốt liệu G d được cân bằng bởi các thể tích, khi đó ta có:

Gd = (1 - g) G h + gG tl trong đó: g là thê tích của cốt liệu

G h = 1,2 J / n r đối lại Gcl = 152 J/m2 (số liệu thực nghiệm )Thực chất có thể bỏ qua G h (vì giá trị quá nhỏ) trong b iểu thức năng lượng phá hoại b ê tô n g Vì vậy bêtô n g đối chứns và BT C Đ C có c ù n g n ă n g lượng phá hoại, từ

đó có đ ịn h luât:

K,I = (gGc|E) 1/2

2.4 H o ạ t đ ộn g của nén đơn trục

Hoạt động nén đơn trục của RT CĐC

cho phép ta xem xét tốc độ phá hoại của

BT CĐC Hoạt động nén dơn trục của

BT C Đ C vẫn tuân theo quy luật truyền

thống của bêtông theo định luật Sargin

Trước khi phá hoại quan hệ ứng suất - biến

dạng tuyến tính, ở đỉnh của ứng suất, biến

dạng dẻo chỉ b ằn g 15% của biến dạng

tổng cộ n g , trong khi đ ó đối với mẫu đối

c h ứ n g là 29% T h eo định n ghĩa của Rosi

thì B T C Đ C sẽ giòn hơn

Sư dãn dài ở đỉnh của ứng suất sẽ lớn

hơn m ột chút so với bêtônq thòng thường

(ở đây 2 , 1.103 thay cho 1,8.10')- Các biến

d ạ n g n g a n g về đ ịn h lượng là cùng loại so

với b iến d ạn g củ a đối chứng, tuy nhiên

tăn g thể tích ít hơn (biến dạng thể tích e v)

23

Có thể giải thích hoạt động đó bằng hai cách:

- Theo quan điểm về năng lượng, người ta thấy rằng năng lượng phá hoại vật liệu tãng lên ít so với cường độ nén của nó Kết quả là diện tích đường cong không thể tỉ lệ với ứng suất cực đại Phần "đỉnh sau" như vậy bắt buộc càng giảm đi với tỉ lệ thích hợp (hình 3.5)

- Theo quan điểm cục bộ có thể giải thích bằng m ô hình uốn dọc tạo thành nứt dọc của vật liệu, tương tự như các vết nứt của lực cắt Lúc phá hoại lực cắt lớn nhất theo góc của các vết nứt này với hướng nén Theo các quan niệm cổ điển của M ohr, người ta thấy:

e = ( l /2) arctg 2 (ft/fc) ,/2

trong đó: ft và fc biểu thị cường độ kéo và cường độ nén của vật liệu

Cường độ kéo tăng không nhanh bằng cường đ ộ nén, 9 giảm đi đố! với các giá trị lớn của fc Mặt khác, các m ặt phá hoại rất ngắn, và những vết nứt này chỉ có thể lấy lại lực bằng m a sát, nhờ m ột trạng thái ứng suất ngang Từ đó BT C Đ C chịu nén đon trục, sinh

ra sự giảm m ạnh lực sau khi đạt được trị số cực đại (hình 3.5)

H ình 3.5 Sự ẹiảm cườnạ độ dột ngột khi nén

Khi thí nghiệm các dầm nhiều cốt thép, dạng phá hoại củ a dầm là dạng phá hoại ở thớ nén, các biến dạng của cốt thép ở thớ nén vượt quá 0,4% trị số quy định

Khi thí nghiệm các kết cấu dầm ít cốt thép, cường đ ộ bêtông cao dẫn tới việc tăng độ dãn dài Sự cải thiện độ dính kết giữa bêtông và cốt thép làm cốt thép bị dẻo hoá sẽ lớn hơn trong BT CĐC

Sự không phù hợp nhau giữa hai cách thí nghiệm , hình trụ chịu nén và dầm chịu uốn -

có thể có hai nguyên nhàn: N guyên nhân thứ nhất là do sự hạn chê bởi phần còn lại của kết cấu trên vùng đã vượt qua giới hạn biến d ạ n s về nén Thật vậy vết nứt được định vị ở

24

đầu trong m ẫu hình trụ và phần còn lại đi xuống của đường cong phù hợp với sự trượt tăng dần của hai khối bêtông là hai phần của dầm Vì vậy vết vỡ phát triển khó khãn ở trong dầm , có thể sinh ra trượt trong vùng bị nén Sơ đồ duy nhất lúc đó có thể ỉà sơ đồ cùa hình 3.6.

Chính khi đó xuất hiện nguyên nhân kh ô n g hoà hợp thứ hai, do các cốt thép đai

Đ ế kết luận người ta có thê đề xuất các yếu tố sau đây:

- Đối với việc tính uốn quan đ iểm cổ điển bao gồm dùng m ột đường cong thực nghiệm (ứng suất - biến dạng) như là qu y luật hoạt động của bêtông với m ột phần "dịu đi" Đ ường cong đạt được trên m ột m ẫu nén đơn trục Đối với BT CĐC phải làm ngược lại và lựa chọn các định ỉuật qu y ước, gắn nó vào những kết quả vi m ô của thí nghiệm uốn Q uan hệ ứng suất biến dạng hiện nay lựa chọn là mô hình, hình bình hành Có thể phù hợp với các điều kiện là cấu kiện chứa hàm lượng tối thiểu cốt thép đai

- Đối với những tính toán phá hoại khi nén ít lệch tâm, các tính toán mới đây đang dược triển khai thường là dựa trên cơ học ứng suất khối hơn là trên cơ học của môi trường liên tục

BT C Đ C tỏ ra có ít vết nứt bên trong hơn là bêtông có cường độ thấp với biến dạng theo m ột trục Sự tăng tương đối biến dạng mặt bên là ít đối với BT CĐC Sự giãn nở mặt bên tương đối thấp hơn trong phạm vi khô n g đàn hồi có thể là do các ảnh hưởng của ứng suất theo chiều Irục củ a mẫu sẽ khác nhau một cách tỉ lệ đối với BT CĐC V í dụ ảnh hưởng của vòng cốt thép được thực nghiệm cho thấy là khác nhau trong BT CĐC Tính liiệu quả củ a sự tăng cứng dạng xoắn ốc là ít trong BT CĐC

3 C ư ờng độ chịu kéo

3.1 T ổ n g quát

Cường đ ộ chịu k éo của bêtông k h ố n e chẽ vết nứt và ảnh hưởng đến các tính chất khác của bêtông như: độ cứng, khả năng dính bám với cốt thép, độ bển Cường độ chịu kéo còn liên quan đến ứng xử cửa bêtông dưới tác dụng của lực cắt

Bètồng c ó cường độ cao thì cường độ chịu kéo cũng cao hon Tất cả các thử nghiệm inảư đều xác nhận điều đó từ 30 -r 60% tuỳ theo thành phần của BT CĐC Việc cải thiện

25

chất lượng của vùng chuyển tiếp giữa hồ ximăng và cốt liệu có thể đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng này.

Tuy nhiên cường độ chịu kéo của BT C Đ C tăng chậm hơn so với tốc độ tăng cườns

độ chịu nén (f|j/fcj =1/15 -í- 1/20) trị số chịu kéo khi biến dạng đến 6 MPa ]à có ý nghía

sử dụng có lợi cho kết cấu

Cường độ chịu kéo của bêtông được xác định bằng thí nghiệm kéo dọc trục hoặc thí nghiệm gián tiếp như kéo uốn, kéo bửa

3.2 Cường độ chịu kéo dọc trục

Cường độ chịu kéo dọc trục của bêtòng rất khó xác định, do đó các số liệu rất hạn chế

và thường rất khác nhau; nhưng người ta cho rằng cường độ chịu kéo dọc trục của bêtông bằng khoảng 10% cường độ chịu nén

Các nghiên cứu của trường đại học Delft trên m ẫu đường kính 120mm (4.7 inch), chiều dài 300m m (1 1.8 inch), có cùng cường độ với điều kiện bảo dưỡng khác nhau Kết quả cho thấy cường độ chịu kéo của m ẫu được bảo dưỡng ẩm cho kết quả cao hơn khoảng 18% so với mẫu bảo dưỡng khô Các nghiên cứu khác tại Trường Đại liọc Northwestern với các loại bêtòng khác nhau có cường độ đến 48 MPa cho thấy cường độ chịu kéo dọc trục có thể biểu diễn theo cường độ chịu nén như sau:

3.3 Cường độ chịu kéo gián tiếp

Cường độ chịu kéo gián tiếp được xác định thông qua thí nghiệm kéo bửa (ASTM C496) hoặc thí nghiệm kéo uốn (ASTM C78)

- Cường độ kéo bửu (fcr)

Theo ACI 363, cường độ kéo bửa của bêtông nặng có quan hộ với cường độ chịu nén theo công thức [6]:

fcl = 7,4 ,Jĩ^~ (psi) với bêtông có cường độ 30 0 0 - 12000 psihay: fcl = 0,59 yjĩ^~ (MPa) với bêtỏng có cường độ 21 - 83 M Pa

T heo Shah và A hm ad thì công thức là:

fcl = 4,34( fc! )0'55 (psi) với bêtông có cường độ < 12000 psi

26

hay: fcl = 0,462( fc' )055 (MPa) với bétòng có cường độ < 83 M Pa.

Cường độ chịu kéo củ a bêtóng dùng muội silíc cũng có quan hệ với cường độ chịu nén như đối với các loại bêtông khác

Cường độ chịu kéo uốn được xác định bằng thí nghiệm uốn m ẫu dầm tiêu chuẩn Các kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ kéo uốn bằng khoảng 15% cường độ chịu nén của bêtông Đối với BT C Đ C ACI kiến nghị:

Các kết quả thí n g h iệm uốn một trục và hai trục cho thấy cường đ ộ chịu kéo uốn một trục cao hơn cường đ ộ chịu kéo uốn hai trục khoảng 38%

Đối với bêtỏng d ù n g m uội silic, tí lộ giữa cường dộ chịu kéo và cường độ chịu nén cãtng tương tự như các loại BT CĐC khác

20 40% đối vói BT C Đ C tuỳ theo thành phần của nó và bản chất của loại cốt liệu

M ôđun đàn hồi của bêtông chịu ảnh hưởng lớn của các vật liệu thành phần và tỷ lệ phối hợp các vật liệu Việc tăng cườrm độ chịu nén kèm theo m ôđun đàn hồi cũng tâng,

độ dốc của biểu đồ ơ ~ s tăng lên Đối với bêtông có khối lượng thể tích từ 1440 đến

2320 k g / m \ và cường độ < 42 MPa (6000psi) thì quan hệ giữa m ôđun đàn hồi và cường

độ có thể biểu diễn theo công thức [5]:

Đối với bêtông có cường độ > 42MPa, tốc độ tăn2 mỏđun đàn hồi chậm hơn ACI 363 kiến nghị công thức quan hệ Ec ~ fL! được biểu diễn theo công thức:

Theo Shah và A hm ad thì công thức biểu diễn là:

N ăm 1934, Thom an và R aeder cho biết các giá trị m ô đ u n đàn hồi được xác định như

ỉà độ dốc của đường tiếp tuyến với đường cong ứng suất - sức căn g trong nén đơn trục ở 25% của ứng suất tối đa từ 4,2 X 106 đến 5,2 X 106 psi (29 đến 39 G Pa) đối với bêtông cócường độ nén nằm trong phạm vi từ 10.000 psi (69 M Pa) tới 11.000 psi (76 MPa)

Mỏi tương quan giữa m ô đ u n đàn hồi E c và cường đ ộ nén fé đối với bêtông có trọng lượng thông thường:

với: 3000 psi < í; < 12.000 (psi)

E c = 3 3 2 0 ^ + 6900 (MPa)với: 21 MPa < ^ < 8 3 (MPa)

Các phương trình thực nghiệm khác để dự đoán m ô đ u n đàn hồi đã được để xuất Sai

số từ các giá trị dự đoán phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính và các ti’ lệ của cốt liệu thô

H ình 3.7 Quan hệ iỊìữa môđitn đàn hồi và cườ/ìiỊ độ chịu nén l im BT CĐC

28

Khi tốc độ biến dạng tăng thì mỏđun đàn hồi cũng tăng Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm đối với bêtông có cường độ đến 48 MPa, Shah và A hm ad kiến nghị công thứcxác định ìnôđun đàn hồi dưới khi tốc độ biến dạng nhanh như sau:

Ec, = Ec[0,96 +O,38(loge/loges)l

với e' là tốc độ biến dạng (Ị.un/s)

C á c y ế u tô ảnh hưởng đến môđun đàn h ồi của B T CĐC:

- C ố t liệ u :

Trong các nhàn tố của cốt liệu ảnh hưởng tới môđun đàn hồi của bêtông thì lỗ rỗng dường như là nhân tố quan trọng nhất bởi vì lỗ rỗng của cốt liệu quyết định sự rắn chắc cùa nó Cốt liệu có độ chặt cao sẽ có m ỏđun đàn hồi cao Nói chung đối với bêtòng sử dung CÔI liệu có môdun đàn hồi cao thì sự ảnh hưởng của nó tới m ôđun đàn hồi của bêtòng là đáng kế hơn cả

Cấc nhân !ố khác của cốt liệu ánh hưởng tới môđun đàn hồi của bêtông là: kích thước hạt m ax, hình dáns, cấu trúc bổ mặt, cấp phối hạt, và mòđun đàn hồi của đá gốc Chúng

có thê anh hưởnỵ tới những vết nứt vi mô ở khu vực chuyên tiếp và vì vậy ảnh hưởng tới

h ì n h d ạ n í i c ỉ i a đ ư ờ n g c o n g bi ế n dạniỉ - ứ n g suất.

- D á xi/năng:

Môđun đàn hồi của đá ximăng bị ảnh hưởng bởi chính lỗ rỗng của nó Các nhân tố có thê điểu chinh lỗ rỗniỉ trong ximãne là: tỉ lệ N/X, hàm lượng khí, phụ gia khoáng, và mức dộ thuý hoá của ximăng

- Víuii> chuyên tiếp :

Nói chung, vừng lỗ rỏng, vết nứt vi mỏ, và xu thế kết tinh canxi hyđroxit là tương đối phổ biến ờ vùng chuyến tiếp hơn so với chất kết dính ximăng rời, vì vậy chúng giữ một vai trò quan trọng troim việc xác định mối quan hệ ứng suất - biến dạng trong bêtông

0 ,3 2 được xác định bằna cách dùng phép đo dộng học là khônc, phụ thuộc vào cường độ nén cốt liệu thô, đối với bêtôníĩ có cườntỉ độ đôn 11500 psi (79 MPa)

29

Trcn cơ sơ các thông tin có sẩn, hệ sò Poisson cùa BT C Đ C Irone phạm vi đàn hổi dườnc như có thc tưcnis dưưnsz với eiá trị của bètòne tniyền thốiiíi.

6 M òđun gãy

Các giá trị được báo cáo của nhiều nhà nỵhiên cứu vổ m ỏđun Sĩãy của hai loại bètónu

có trọnu 1 ươne nhẹ và bctôim có trọn2 lượng thông thườnu nằm tronc phạm vi từ

với: 21 M P a < fL: < 8 3 (MPa)

7 Cường độ m ỏi (độ bòn mỏi)

Các số liệu vé quan hệ mui cua BTCĐC là rất hạn chế Bennett và Muii đã nuhién cứu cường độ mỏi bàng cách nén đổng trục moi khôi BT CĐ C có kích thưức 4" (102 m m ) co cường độ nén tới 1 1.155 p.si (76,9 MPn) và nhận ra rằng sau một triệu chu trình, cường

độ của mẫu thử chịu tái Uoim lãp lại khái' nhau từ 6 6 - 7 Kí so với cirừnu dộ tĩnh cho một mức ứng suâì lối thiếu là 1250 psi (8,6 MPa) Giá trị thấp hơn được tìm thấy đối với

BT CĐC và đối với bẽtòng được làm hằna cốt liệu thô có kích llurớc nho, nlurnỉi pliần lăng thực tè của sự khác nliau là rát nhó

8 Khối lượng đơn vị

Giá trị do được của khối lượnu dơn vị ơ bétônu có cường đ ộ cao lớn hơn chút ít so với bẽtông có cường độ thấp dược cùim làm từ một loại nguyên vật liệu (y = 2,4 -r- 2,5 g/nv1)

50 ± 10% và nhiệt độ 20 ± r c dược khốns chế Độ co naót do khỏ được lấv m ột cácli

quy ước bằng hiệu s ố giữa đ ộ c o 10112 CỘI1U và đ ộ c o c ủ a c ù n c m ộ t mẫu kh ônii bị mâì

T rone khi độ co ngót nội sính cuối cùim uần £ấp đỏi, độ co khô giảm đi, vật liệu chí bao sổ m rất ít nước tư do sau khi tlìLỉv hoá Đó co tốns cộnq của BT CĐC dược đo trẽn các mầu (Ị) 16 cm, vào khoáng hai lần nho hơn trên những mẫu bêtông đối chứng Chú ý đến những động học đặc biệt nhanh của độ co của bétỏng BT CĐC, nó có thê tạo ra các sai số tronc trường hợp so sánh trên cúc thí nghiệm ngắn ngày.

Có nên lo ngại ảnh lnrởrm của độ co nội tại của BT CĐC đối với quy mô của kết cấu khòng? Đối với các công trình cầu hầm, phần lớn biến dạng này xảy ra sau khi tháo ván khuôn và khi đó các ảnh hưởnc cúa nó siống như ảnh hưởng của m ột biến dạng thuần nhất do nhiệt Các điểm tiếp xúc cua kết cấu với nền được dự kiến đê’ loại bỏ biến dạng (ló mà không cần cấu tạo đặc biệt

Bảng 3.2 C ác sỏ liệu thí nghiệm co ngót bétỏng thường và BT CĐC

Độ co IHỊÓI tõiiìị cộiiiỉ ị/Linìlm)

- Lúc kết thúc thí nghiệm

- Trong thời hạn dài

Bẻtỏiìg đối chứng

470650

BTCĐC320340

và biến dạng của m ẫu tương đirơnc nhưng không được aia tải Đối với mẫu không gia tải (được íiiữ dưới một lớp pôlyme cho đến 28 níỉày sau đó báo quản trong môi trường được khống chế) Từ biến tổng cộng là tổng của một từ hiến riêníỉ và m ột biến dạng phụ cọi theo quy ước ià từ biến do khô bao gồm cá phấn co neót do khô

Từ hicn của BT C Đ C được đặc trưng bới:

- Mội quá trình đ ộ n g học nhanh (ớ 7 ngày uia tai, môt tỷ lệ 0,67 của biến dạng ở mộtnam đã được thưc hiên trong khi dối chứns chi có 0,47)

- Biên độ rất yếu (tý lệ < 0.60, hai nụày ạia tái Điéti này có thê là ít thuận lợi đối vớicác cia tái ở tuổi ít ngày)

31

- Sự độc lập với các tác dụng của độ ẩm và dạng hình học của kết cấu, điều này giúp cho người thiết k ế các kết cấu sử dụng các vật liệu thuận lợi, tạo sự tin cậy vào sự hợp thức cho tính toán của họ.

12 Sự dính kết với thép thụ động

Vấn đề này còn chưa được đề cập nhiểu trong các tài liệu Rosenberg và những người khác trình bày các kết quả thí nghiệm nhổ một ống tuýp nhẵn đặt vào trong m ột hình trụ bằng BT CĐC, trên hai loại bêtông có và không có muội silic Sự dính kết trung bình tăng lên 40% với cường độ nén tăng khoảng 50% (với m ẫu có muội silic) Burgcr đã so sánh sự dính kết của vật liệu với tỷ lệ N/X không đổi đối với hai loại bêtông trên Sự dính kết biến đổi trong m ột tỷ số 3,2 và 1,5 lần lượt đối với các thí nghiệm trôn hồ xim ăng (N/X = 0,20) trên vữa (N/X = 0,30) và trên bêtông (N/X = 0,35) W echaratana

và những người khác cũng tiến hành những thí nghiệm trên m ột loại BT C Đ C có cường

đ ộ trung bình vào khoảng 75 và 80 MPa, nhưng không có bêtông đối chứng, so sánh với các thí nghiệm tìm thấy trong tài liệu, và ghi lại sự hoạt độ n g của mối liên hệ rất kém tức là những sự trượt yếu hơn trước khi giảm lực dính k ế t Cuối cùng Lorran và những người khác là tác giả của các tài liệu hoàn chính hơn với lớp phủ bằng một m ẫu được đổ trong một hình trụ bằng kim loại làm nhiệm vụ của ván khuôn và tiến hành thí nghiệm kéo, trong đó người ta rút cốt thép được gán trong một hình trụ bãng bêtông ở hai dầu cua chúng Sự d ín h kết thể hiện m ối tương quan tốt với cư ờ ng độ kéo của bêtông Các thông số lực cực đại, đ ộ cứng, tính hồi phục hoạt đ ộ n g theo một hướng có lợi khi tuổi của b êtô n g , c h iều dài tiếp xúc củ a bctông cốt th ép hoặc các tí số c h ất clínli kết/nước tăng lên

Lực cắt đạt được trong dầm bằng BT C Đ C lớn hơn nhiều so với lực cắt đạt được trong

dầ m đối chứng Đ iều đó thể hiện m ột hiệu ứng tỉ lệ khá lớn, có thể giải thích được

bằng co ngót nội tại, nó tạo nên m ột sự xiết chật càng lớn khi tỉ lệ % của thép trong

d ầm càng nhỏ

Sự dính kết của các cốt thép lớn là thấp hơn sự dính kết của các cốt thép nhỏ, tuy nhiên người ta có thể ghi nhận với sự gần đúng đầu tiên là ti’ số các lực cắt trung bình (giá trị trung bình của các ứng suất đối với sự trượt bằng 10 và 1 0 0|im, đối với các tập hợp các đường kính thử) như tỉ số của cường độ kéo, đó còn là kết quả cổ điển củ a các loại bêtông thông thường, có thể nội suy được cho BT CĐC

Một hiệu quả tức thì của sự cải thiện lực dính kết là giảm tương quan các chiều dài neo Ngoài ra một tác dụng thuận lợi phát sinh từ đó là để định kích thước các dầm bêtông cốt thép bị uốn có xét đến sự nứt nẻ (được đánh giá là có hại hoặc rất có hại)

T rong các trường hợp như vậy người thiết k ế tiến tới giảm ứng suất làm việc của cốt thép

để hạn chế độ m ở của các vết nứt của bêtông thường M ột tính toán so sánh chí ra là

32

irong m ột tấm đan bị uốn theo một hướng, được định kích thước để chịu được tải trọng

đã cho, đối với tấm đan bằng BT CĐC, cho cốt thép làm việc ở trạng thái cực đại vẫn đạt được độ m ở rộng lý thuyết của vết nứt nhỏ hơn vết nứt c ủ a kết cấu tương tự bằng bêtông thường

Việc sử dụng BT CĐC, thể hiện bằng việc giảm chiều dày của tấm đan và giảm tiết diện thép làm cho tổng giá thành vật liệu tại chỗ rẻ hơn

13 C ác tính chất khác

Cường độ mài m òn là đối tượng của một vài tài liệu xuất bản liên quan đến việc cải thiện khả năng bêtông chống lại sự xâm thực cơ học cục bộ Holland đã nghiên cứu một vật liệu dùng cho bê tràn của đập (đập Kinzua - USA) trong trường hợp nước lên chảy rất m ạnh, có chứa phù sa và các m ảnh khác Bêtông cốt sợi tỏ ra có phẩm chất không tốt hơn bêtông thường, cuối cùng đã chọn BT CĐC, theo chủ nhiệm công trình thì bêtông này đạt mọi yêu cầu Gjover đã quan tâm đến loại vật liệu này dùng cho lớp phủ mặt đường và đã thử một loại tổ hợp có cường độ khác nhau trên m ột vòng quay thử độ mỏi Chuẩn mực về phẩm chất là bề dày của phần vạt liệu được nhố từ vật liệu theo số chu kỳ,

sự tương quan (ngược lại) của yếu tố này với cường độ nén là khá tốt, với BT CĐC có cường độ 150 MPa, hoạt động của I1Ó so sánh được với khối đá granit, do chất lượng liên kêt tốt hơn giữa hồ và cốt liộu

Như đã nêu ở trên, các kết cấu bằng bêtỏng có CĐRC tiến gần đến các kết cấu bằng kim loại một cách lôgic bởi hình thể, tính nhẹ nhàng và mềm dẻo của chúng Khi đó có thể các vấn đề về mỏi xuất hiện, một vài tài liệu nói vể vấn đề này được nghiên cứu đặc biệt để áp dụng trong xây dựng khai thác dau khí ngoài khơi, v ề m ặt kéo cũng như nén phẩm chất của BT CĐC không khác mấy so với bêtông cổ điển, đối với các tỉ lệ ứng suất làm việc/ứng suất phá hoại có thể tương đương

14 M ô hình hoá vật liệu đê áp dụng cho thiết k ế các kết cấu

Trong phần này mô tả tổng hợp các tính chất của BT CĐC gắn với tinh thần của những quy tắc của BAEL/BPEL, các quy tắc đó đã được mở rộng cho BT CĐC (fc-,g > 60 MPa), làm cơ sở cho các tính toán kết cấu bêtông cốt thép và bêtông cốt thép dự ứng lực sử dung BT CĐC

14.1 M ô hình biểu đồ ứng suất - biên dạng

Về biến dạng cần xem xét đến việc tính toán các biến dạng tức thời và biến dạng về sau bởi sự co, từ biến của các bêtông có cường độ chịu nén cao từ 60 đến 80 MPa Các biểu đồ được xây dựng trên cơ sở các hiếu biết hiện nay vể BT CĐC và không áp dụng đối với bêtông xử lý nhiệt Các bêtônc đặc biệt sẽ phải xcm xét sau

33

Khi tính toán giới hạn sử dụng, thông thường chỉ cần chọn m ô hình đàn hồi và tuy ến tính Đ ố i với B T C Đ C , m ô đ u n đàn hổi và m ô đ u n tiếp tuyến ban đầu được coi là n h ư nhau d o đường biến dạng có đ ộ dốc lớn.

Khi tính toán giới hạn biến dạng cuối (eb2), bêtông chịu biến dạng lớn thì ứng 1 ực phải ch ịu sẽ đạt tối đ a b ằn g ứng suất nén của bêtông và rồi giảm cho tới khi bị ngắt cường độ nén (điều này phụ thuộc vào građien của biến d ạn g và việc có hay k h ô n g có cốt thép đai) K ể từ thời đ iểm lực tác dụng, trường củ a biến dạng không còn đồng n h ấ t nữa Bề m ặt của bêtô n g bị bóc ở chỗ biến d ạn g lớn nhất và khi ngắt lực tác dụng sẽ di ễn

ra việc định vị các biến d ạn g trong các bề m ặt trơn Sau đó, khả năng chịu tải của kết

c ấu khô ng còn phụ thuộc vào ứng suất ban đầu củ a bêtông nữa

Đ ể đơn giản, ta coi rằng ứng x ử củ a vật liệu có thể được m ô tả q u a biểu thức ứng su ấ t

- biến dạng, ngay cả sau khi ch o lực tác dụng T rong trường hợp thông thường, mếu

k h ô n g cần tính toán cụ thể chi tiết các biến dạng, ta có thể ch ấp nhận biểu đồ p a ra b c l -

tứ g iá c trong đ ó phần nằm ngan g trải dài trên các hoành độ từ Ebl đến Eb2 (hình 3.8) vớii:

ebi = 2 1 0 '3

eb2 = (4,5 - 0,025 fcj) 1 03

Khi cần tính toán ch ín h xác các b iến dạng, nhất là trong các tính toán độ bền vững vé hình dạng, thì m ô hình parabol - tứ giác chưa đủ Lúc này cần xét đến tính không d à n hồi củ a BT C Đ C và sử d ụ n g các m ô hình phi tuyến

Hình 3.8: Biểu đổ quan hệ cường độ - biến dạng theo dề nqhị BAEL

Trị số cường độ chịu nén của BT C Đ C được ký hiệu là R'bt và được tính như sau:

trong đó: cường độ chịu nén R bt được thí ng h iệm ở ngày t (7, 14 hoặc lớn hơn) với mẫu hình trụ D = 15, H = 30 m m , được c h ế tạo theo Tiêu chuẩn Việt N am hoặc ASTM 39 với bêtông tiêu chuẩn tuổi 28 ngày, cường đ ộ bêtô n g tiêu chuẩn là R'bt được tính theo công thức sau:

R í, = 0 , 8 ^

-Theo đề nghi của Pháp: R'bt = 0,8

Ỡ-Ybtrong đó: yb = l , 5

9 = 0 ,8 hoặc 1

Trị số m ôđun đàn hồi có thể lấy theo B A E L , B PEL

E b t= 11000 R{,(3 , M P a Hoặc theo ACI 318

E bt = 15000 Rị,í2 , d a N /cm2

Trong trường hợp đơn giản hoá biểu đ ồ parabol-tứ giác có thể ch u y ển biểu đồ đường

thẳng cho bêtông thường (hình 3.9) thành biểu đồ đường th ẳn g cho BT C Đ C (hình 3.10)

như sau:

R , 0 ,8 5 R b[

Khi

Hình 3.9 Biểu đồ ứnẹ suất biến dạng Hình 3.10 Biểu đổ ứng suất biến dạng

Cường độ tính toán của BT CĐ C ký hiệu R'bt được tính theo công thức sau:

- Sự co nội sinh hay co do khô tự nhiên, gây ra do việc bêtông cứng dần lên.

- Sự co do sự sấy khô, gây ra do sự trao đổi nước giữa chất liệu trong bêtông và môi trường bên ngoài Chú ý rằng, độ co do bị sấy khô này có thể là số âm (trong trường hợp này bêtông bị phồng lên)

Như vậy, tổng độ co là phép cộng củ a hai loại độ co nói trên

Trong trường hợp các khối bêtông đặc, nhiệt cũng có thể ảnh hưởng đáng kê đến độ

co nội sinh hay độ co do khô

Tính dộng của độ co nội sinh £re phụ thuộc vào tốc độ phản ứng hyđrat hoá Khi tính toán mức độ co, trước tiên người ta dựa vào tốc độ cứng của vật liệu và như vậy phải tính đến các đặc tính của từng loại bêtông Tỷ số fct/fc?g, tuổi của bêtông non, được coi là biến kiểm tra trước 28 ngày Vì vậy, đối với khối bêtông đặc có độ đông cứng nhanh hơn thì tuổi bêtông có ảnh hưởng lớn đến độ co nội sinh Sau 28 ngày, độ co nội sinh dược tính căn cứ vào thời gian

- Nếu fcl/fcog ^ 0,1 thì có thể tính độ co theo đề nghị của Pháp như sau:

8re (t, fc28) = (fc28 - 20)(2,2 — — 0,2).10“6

fC28trong đó: £re là độ co nội sinh tính từ khi bêtông đặc (kết dính đến một thời điểm nào đó tính bằng ngày) fco8 là đặc tính ứng suất vào cùng thời điểm

36

Đê có the miêu tả rõ hơn tính động của độ co nội sinh trước 28 ngày, ta có thể chấp

n h ận quv luật hypebol về độ cứng được phân chia dựa theo các dữ liệu thực nghiệm về ứng suất hiện hành

- Với t > 28 ngày thì,

S„(t^c2s) = (fC28- 2°) [2,8 - l,le x p ( - t/9 6 ) ] 1 0 ‘6Trong trường hợp ứng suất thực tế đến 28 ngày rõ ràns cao hơn đặc tính ứng suất yêu

c ầu , sẽ chí cho phép ước tính độ co nội sinh

BT C Đ C chịu sự sấy khô tự nhiên Độ ẩm trong của nó, nếu không có sự trao đổi nước với môi trường bên ngoài, sẽ giảm dần theo thời gian và trong vòng vài tuần sẽ ổn

đ ịn h ở giá trị thấp (trong khi ứna suất nén đến 28 ngày thì tăng) Sự co do khô sấy

thường có tính động chậm hơn và phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa độ ẩm trong và độ

ấm ngoài m ôi trường,

Sự co do khô s rl sẽ nhanh hon nếu bêtông có kích thích của silic Các công thức cho phép tính toán theo đề nghị cúa Pháp như sau:

* Bêtông không có kích thích của silic

Trong các trường hợp thông thường người ta dự tính độ giảm của sự co ngót có các

k h u n g thép gắn liền Tổng độ co được tính trong khoảng thời gian từ khi đổ bêtông đến

m ột thời đ iểm xác định nào đó

tnong đó: n = 15 khi 40 < fcT8 < 60 MPa

và n = 9 khi 60 < fc28 < 80 MPa

Tuy nhiên trong các kết cấu mà cốt thép không cân đối, có thể cần thiết phải tính toán

đ ộ co theo vùng, căn cứ vào vị trí của các khung thép

Đ ộ co giữa hai ngày t và t' bằníỉ với sự chênh lệch của tổng độ co tính toán vào cho ùiìiíĩ n sà y

37

Trong trường hợp tính gần đúng có thể tham khảo số liệu sau:

£co ót = 2.10'4 với khí hậu rất ẩm;

s co ngót = 4 10‘4 với khí hậu nóng và khô;

Với điều kiện Việt Nam có thể £congól= 3.10'4

- Từ biến tự nhiên xuất hiện khi bêtông không trao đối ẩm với môi trường bên ngoài Hiện tượng này về m ật nguyên tắc độc lập với kích cỡ của kết cấu

- Từ biến khô trong khi bêtông chịu tải, phụ thuộc vào kích cỡ của kết cấu

Biên độ từ biến tự nhiên cuối cùng phụ thuộc vào ứng lực tác dụng, vào môđun đànhồi đến 28 ngày của bêtông Ej78, và đối với các bêtông có kích thích của silic, nó cònphụ thuộc vào ứng suất của bêtông vào thời điểm chịu tải t chịu tải lúc còn non và có kích thích của silic thì tính động càng nhanh Biến dạng từ biến tự nhiên xuất hiện trong khoảng thời gian ( t ị , t), t ị có thể được tính toán bởi các biểu thức sau:

- Đối với bêtông không có kích thích của silic

Từ biến do khô được xác định bằng cách tham chiếu độ co do khô xảy ra quá trình chịu tải Ta nhận thấy là các bêtông sức bền cao có kích thích của siỉic từ biến khô không đáng kể Được tính như sau:

n = 9 khi 60 < fcog < 80 MPaTuy nhiên trong các kết cấu m à mật độ cốt thép trong các vùng là rất khác nhau thì cần thiết phải tính độ rão của từng vùng và có tính đến vị trí của các khung thép.

Trị số Epg - m ôđun biến dạng sau được tính như sau:

E „ = U ° ^ x RÌ28 “ , x k 28' ' 3

1 + ệ

- Nếu Ro8 < 60 MPa thì <|) = 2 (không có muội silic)

- Nếu R i8 > 60 MPa thì có muội silic : <Ị> = 0,8

Biểu đồ ứng suất biến dạng hình chữ nhật, với trị số cường độ bêtông và biến dạne cuối cùng được điều chỉnh, có thể áp dụng cho việc tính toán cường độ kết cấu bêtông cốt thép sử dụng BT C Đ C đến 80 MPa Các trị số tính toán co ngót từ biến, m ôđun đàn hói có thể áp dụ n g trong tính toán về cường độ, về nứt, biến dạng cho kết cấu bêtông cốt thép và bêtô n g cốt thép dự ứng lực sử dụng bêtông có cường đ ộ chịu nén cao

15 H oạt độn g ở trạng thái còn ướt

15.1 Tính cô n g tác

Sau khi nhào trộn, bêtông cần có độ dẻo nhất định để đảm bảo việc vận chuyển, đổ khuôn, đầm chặt dễ dàng, không bị phân tầng nhằm tạo ra được bêtông có độ đặc cần thiết Đ ộ dẻo của hỗn hợp BT CĐC được xác định bằng độ sụt, đo bằng côn Abram

BT CĐC yêư cầu có độ đặc cao, do đó hỗn hợp bêtông cần có tính công tác thích hợp

Đ ộ sụt 10 4- 12cm có thể cung cấp đầy đủ tính công tác cho hỗn hợp bêtông mặc dù có nhiều loại BT CĐC sử dụng độ sụt 20 -í- 25cm

BT CĐC có tỷ lệ N/X thấp (từ 0,35 H- 0,25), do đó để đảm bảo tính công tác phải sử

d ụng phụ gia siêu dẻo Ngoài yêu cầu vể độ sụt cao (15 -r 20 cm), hỗn hợp BT CĐC cần giữ được độ sụt trong khoảng thời gian tối thiểu 45 60 phút

M ặc d ù lượng nước d ù n g rất thấp so với liều lượng th ô n g thường (k h o ản g

100 - 170 l í t / n r ) , các BT CĐC luôn cho độ sụt côn Abram vào khoảng 20cm khi ra

39

khỏi m áy trộn Sự cách ly các hạt có được bởi các chất siêu dẻo, từ đó có được một loại bêtông chảy dưới tác dụng của trọng lực, với một tốc độ phụ thuộc độ nhớt của hỗn hợp

Đ ối với tỷ lệ N /X dưới 0,3, độ sệt mặc dù rất cao bêtông vẫn nhớt và "dính" Bêtông

được đổ tốt, nhưng để được như vậy cần chấn động như bêtông thông thường có đ ộ sệi

được gọi là "dẻo" Khi tháo ván khuôn đôi khi có bọt xuất hiện là hậu quả của độ nhớt

của vật liệu tươi

Tính dễ đổ có thể chỉ giữ được trong thời gian ngắn, trong thực tế cần xét trước vấn

đề này khi định ra công thức bêtông Tuy nhiên việc đạt được m ột thời gian thực tế sử dụng cao hơn m ột giờ hoàn toàn có thể đạt được, bằng cách dùng một chất làm chậm ninh kết Trong bêtông M 70, khi dùng chất siêu dẻo có thể giữ được độ dẻo sau 4 0-60 phút khoảng 70% so với ban đầu (8-14cm)

Yêu cầu phụ gia siêu dẻo phải hạn c h ế được sự mất m át độ sụt, đồng thời tăng được

độ bền và khả năng chịu ăn m ò n sunfát của bêtông Hiện nay m ột loại phụ gia siêu dẻo mới gốc Cacboxyl Acrylic Ester (CAE) có khả năng đạt được yêu cầu này

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính công tác của hỗn hợp bêtông:

- Lượng nước nhào trộn: là nhân tố quan trọng tạo ra tính d ẻo của hỗn hợp bêtông

Khi lượng nước đủ lớn xuất hiện một lượng nước tự do, thì lượng nước này sẽ lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt vật liệu, và đẩy xa các hạt tạo điều kiện cho các hạt vật liệu dịch chuyển dễ dàng Khi lượng nước tăng, độ dẻo của hỗn hợp bêtông cũng tăng lên nhanh chóng Tuy nhiên với BT CĐC, tỷ lệ X /N lớn, nếu lượng nước nhào trộn lớn sẽ yêu cầu lượng ximăng lớn Do đó lượng nước nhào trộn chỉ dùng để tạo ra tính dẻo cho hỗn họp bêtông, còn để có tính dẻo cao thì phải sử dụng phụ gia tăng dẻo ACI kiến nghị độ sụt của hỗn hợp bêtông do nước nhào trộn < 5cm

- Xi măng: Nếu hỗn hợp bêtông có đủ xim ăng để cùng với nước lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu, bọc và bôi trơn bề mặt của chúng thì độ lưu động sẽ tăng lên Nhưng khi lượng xim ăng quá lớn thì độ dẻo của hỗn hợp bêtông lại giảm xuống do nồng độ xim ăng tãim làm thay đổi các đặc trưng lưu biến của hồ ximăng

Xi m ăng có lượng nước tiêu chuẩn cao sẽ cho hỗn hợp bêtông có tính công tác thấp hơn, với cùng m ột thành phần vật liệu

- Vữa ximăng: Nếu vữa x im ăn g (hồ xim ăng + cốt liệu nhỏ) chỉ đủ đê lấp đầy lỗ rỗng của cốt liệu lớn thì hỗn hợp bêtông rất cứng Đ ể tạo cho hỗn hợp có độ lưu động thì phái đẩy xa các hạt cốt liệu lớn và bọc xung quanh chúng m ột lớp vữa ximãng

- Cốt liệu: Đ ộ lớn của cốt liệu càng lớn thì tổng diện tích bề mặt giảm, lượng nước hấp thụ nhỏ, lượng nước tự do lớn thì độ dẻo tăng

- Phụ gia tăng dẻo: Đây là yếu tố quan trọng để có được hỗn hợp bêtông có độ dco cao Khi dùng với m ột lượng phụ gia hợp lý sẽ tăng được đáng kể độ lưu động của hỗn

40

hợp bêtông Tuy nhiên khi sử dụng phu gia tăng dẻo cần phải tuân thủ các chỉ dẫn của nhà sản xuất.

- Chấn động: dưới tác động của ngoại lực (rung động), độ dẻo của hỗn hợp bêtông tăng T u y nhiên nếu thời gian rung động lớn sẽ làm khuấy động hỗn hợp bêtông gây

phân tầng và mất tính đồng nhất.

15.2 B ê tô n g trong g ia i đoạn ngủ

Giai đoạn ngủ là thời gian giữa khi dổ và khi bắt đầu ninh kết Thời gian này có thế biến đổi nhiều từ m ột BT CĐC này sang BT CĐC khác Phản ứng thuỷ hoá là một loại tự hoạt hoá, cấn phải có m ột sự tăng nhiệt độ nhỏ đê khơi mào Ngược lại khí hậu lạnh hoặc m ộ t lượng nhỏ chất phụ gia khôn? hợp lý có thê’ làm chậm sự ninh kết đến 48 giờ thậm c h í đến 72 giờ và lâu hơn

Sự có mặt của các hạt cực mịn, nếu có số lượng đủ (trong thực tế khoảng 7 - 10% của trọng lượng ximăng), cho phép sự ổn định của bêtông ở trạng thái ướt Dung dịch bêtông

đô n g lại và có dạng "gel" sau một thời gian sau khi trộn Độ chảy sau khi trộn (khi

không xét hiệu quả của chất tăng dẻo) có kết CỊuả ngược lại với hồ xim ăng cổ điển; Dưới

tác dụ n g của trọng lực làm chặt cấu trúc hạt bằng cách đẩy nước thừa (hiện tượng tiết nirớc) nhưng trong BT C Đ C không thấy tiết nước trên các bề mặt tự do

Hiện tượng phân tầng hầu như ít xuât hiện với BT CĐC vù BT C Đ R C do liên kết

m ạnh hơn giữa các hạt của chất dính kết

Tuv nhiên sự ổn định cũng có hai mặt kém thuận lơi Sự không tiết nước của bêtông làm cho bêtông khô sớm, điều quan trọniỉ là phải bảo dưỡng tốt bêtông nếu không sẽ có nguy cơ nứt nẻ do co m ềm (sự co diễn ra trước khi bêtông ninh kết)

15.3 S ự t o ả n h iệt kh i ninh kết

Sự toả nhiệt khi ninh kết phụ thuộc vào lổng lượng chất kết dính trong bêtông Trong

đ ó phần xim ăng là quan trọng (trong trường hợp bêtông cấu trúc cổ điển) Muội silic tác dung trong phản ứng như là chất xúc tác, làm cho sự tăng nhiệt độ ban đầu khá "mạnh" Kết quá là một sự tăng nhiệt độ nhiều Iiíiày trong những cấu kiện m ỏng (chúng ta có thể

đ o được tới 8° c độ tăng nhiệt tronẹ các hình trụ đường kính ệ ló c m ) Laplante và những iiiỊười khác kể lại một sự tăng nhiệt độ 4 0 °c trone các cột có cạnh bằng lm Như vậy nhiệt độ trong các cấu kiện BT CĐC có thể dat đến 60 -70°c

Trong những cấu kiện lớn như vậy, ne uy cơ nứt nẻ do nguồn nhiệt không tỏa được

t à n<4 lên m ạnh, có tính đến sự xuất hiện nhanh cường độ kéo N hững trường hợp có thể được nghiên cứu bằng cách giả thuyết về trường hợp nhiệt độ và biến dạng bị ngăn cản trong thời gian ninh kết

41

C hương 4

1 M ử đ ầ u

L I Thiết kê thành p h ầ n bêtôn g cường độ cao

BT CĐC có cường độ nén từ 60 - 80 MPa và đòi hỏi tính dễ đổ cao và tính kinh tế.Phương pháp xác định thành phần bêtông chặt chẽ hơn so với phương pháp xác định các hỗn hợp bêlông cường độ thông thường Cần có nhiều m ẻ trộn thử để có những sò liệu cần thiết cho phép người nghiên cứu xác định tỷ lệ thành phần tối ưu cà phần kỹ thuậ! và thiết kế- Phương pháp chung để thiết k ế thành phần bêtông là phương pháp lv thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết về thể tích tuyệt đối và cường độ yêu cầu Cũng có thể dùng các phương pháp truyền thống trên cơ sở các công thức dự báo cường độ bêtông BT CĐC thường dùng cho các công trình quy m ô rất lớn (nhà, cầu, đường và các công trình ngoài biển) và đòi hỏi chất lượng cao Vì vậy, thành phần bêtông được xác định trên cơ sở kinh nghiệm thực tế và kinh nghiệm chuyên gia, các tính toán lý thuyết và các m ẫu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và cả ở công trường

Đê đáp ứng các yêu cầu về cường độ quy định, bêtông phải được xác định thành phần sao cho các kết quả cường độ nén trung bình lớn hơn cường độ nén quy định (R b) inột giá trị đủ lớn để xác suất giá trị cường độ thấp là nhỏ nhất Khi chọn phương pháp xác định thành phần BT CĐC trong phòng thí nghiệm, cường độ yêu cầu (R yc) cần được sừ dụng làm cơ sở cho việc chọn thành phần bêtông

Thành phần BT CĐC có thê có muội silic hoặc k h ô n g có m uội silic, lượng và loại chất siêu mịn có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng bêtông Ngoài ra, các yếu tố về độ sụt, thời gian giữ độ sụt dẫn đến việc sử dụng các chất làm chậm và các phụ gia khác.Như vậy thiết k ế thành phần BT CĐC bao gồm các bước như sau:

Bước / Xác định các yêu cầu

Xác định thành phần bêtỏng do thiết k ế yêu cẩu (tối thiểu) là R bj, tuổi bêtô n g 3, 7, 28ngày hoặc lớn hơn Ở đây trình bày các thiết k ế và cường độ tiêu chuẩn (Rtpịị) tuổi 28 ngày Đê đảm bảo tính dễ đổ và đảm bảo tính khả thi cần xác định đủ độ dẻo và các điều kiện thi công, vận chuyển, thời tiết, nhiệt độ

42